CN102659247B - 一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，包括湿地前端的布水系统、湿地后端的集水系统、湿地内部的基质以及种植于基质上的植物，以及沉积物微生物燃料电池系统。本发明还提供了一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的方法。本发明通过在湿地内增加沉积物微生物燃料电池系统，以阳极作为电子受体，促进湿地植物根区附近微生物分解代谢有机物时所释放的电子转移，然后传递给位于湿地上部的阴极，减少湿地植物根区附近有机物代谢时的电子堆积，大大提高微生物分解有机物的活性，强化有机物的去除性能。
Description
技术领域
本发明属于污水处理与资源化技术领域，涉及一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置及方法，特别涉及一种利用辅助的电池系统加快微生物分解有机物速度的装置及方法。
背景技术
随着人工湿地或天然湿地的运行，湿地中积累的有机物总量一般要超过废水所贡献的有机物总量。种植植物的湿地系统中积累的有机物量比在相同条件下没有种植植物的高1.2-2 kg/m2。湿地内有机物的积累导致湿地系统堵塞，恶化湿地基质间的通气状况，进而影响湿地微生物的活性。此外，毒性有机污染物的植物根部滞留效应，使其易于在湿地植物根部附近积累，高浓度的毒性有机污染物会抑制根际微生物的活性。可见，湿地对有机物的自净能力难以满足日益增加的污染状况，有机物将逐渐累积，对湿地生态系统和生态安全构成威胁，将导致湿地生态功能的退化。
目前改善湿地根区微生物活性的方法通常采用增氧、接种外源性高效微生物或者投加无机盐以供应电子受体，以达到促进有机物分解的目的。但是现有的方法存在以下几个问题：增氧和投加无机盐的措施成本较高，此外，投加无机盐会对水生态系统带来不利的影响。而接种的外来微生物易受水力学条件及土著微生物等因素的强烈影响而难以达到预期的效果。湿地基质内部和基质间电子传递性能差，严重影响了有机物的分解转化速率。因此，需要发明一种结构简单、成本低，并能够有效改善湿地根区微生物活性的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，解决湿地内有机物积累和湿地基质内电子传递性能较差，从而抑制了湿地内各种生化反应活性，尤其是根际微生物活性，使湿地系统对有机物去除性能受到严重制约的问题。
本发明的另一目的是一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一、一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，包括湿地前端的布水系统、湿地后端的集水系统、湿地内部的基质以及种植于基质上的植物；还包括沉积物微生物燃料电池系统，该系统包括阳极和阴极，两者通过导线与外部电阻相连接；所述的阳极布置在湿地植物根区附近，阴极一部分置于上覆水中，一部分暴露于空气中。
进一步的，所述的阳极和阴极之间还通过导线连接有在线数字伏特表。
所述的阳极材料为石墨棒。
所述的石墨棒的直径为4cm，相邻石墨棒的间距为20cm，石墨棒采用并联方式连接。
所述的阴极材料为碳毡。
所述碳毡的厚度为0.5cm，包裹在镂空的PVC管道外侧组成空气式阴极结构。
所述的导线选自不锈钢丝、钛丝或者铜丝中的任意一种。
所述的导线与电极连接处用环氧树脂密封，导线暴露部分需要用环氧树脂覆盖密封。
所述的外接电阻为100Ω。
进一步的，所述的基质中埋有石墨片。
所述的石墨片厚度为1.0 mm。
所述的石墨片的重量占基质重量的15%。
二、一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的方法，其特征在于：湿地中有机物在沉积物微生物燃料电池系统的阳极区（5）附近被土著微生物氧化分解，产生的电子传递到阳极（5），再经过外电路到达阴极（6），同时氢离子通过水—沉积物界面传递到阴极（6），阴极（6）所接受的电子、氢离子与氧气反应生成水，从而完成整个化学氧化还原反应。
采用上述技术方案的积极效果：本发明将沉积物微生物燃料电池系统的阳极放置在湿地植物根区附近，借助于微生物电化学作用增强根际区微生物的活性，且根据沉积物微生物燃料电池系统产生电压信号强弱可实时监测湿地生态系统植物根际区的动态生理响应；微生物燃料电池系统作用于湿地系统相当于在湿地中增加了一个微生物代谢新途径，这条途径尽管发生在湿地沉积物内，但是最终是利用了氧气作为电子受体，因而反应速率快，并且不受沉积物中作为电子受体的离子浓度影响；本发明在湿地内部基质的配型中加入具有高导电性的石墨片，增大了电子收集面积，改善了基质内部和基质之间的电子传递性能，增强了电子向阳极传递速率，提高了输出的能量，实现有机物的高效转化和利用；因此，本发明不需要投加电子受体、供氧剂、采用增氧措施、或接种外源性高效微生物，而是利用湿地中土著微生物，以电极作为直接电子受体氧化沉积物中有机物，改善湿地根区微生物活性，生态上安全，结构简单、成本低。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为沉积物微生物燃料电池系统的阳极构造示意图。
图3为沉积物微生物燃料电池系统的阴极构造示意图。
图4为沉积物微生物燃料电池系统中有机质去除性能示意图。
图5为毒性有机污染物PAH对电压信号的影响示意图。
图中，1布水系统，2集水系统，3上覆水，4石墨片，5阳极，6阴极，7外部电阻，8导线，9在线数字伏特表，10湿地植物根区，11基质，12集水系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明整体结构示意图，如图所示，一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，包括湿地前端的布水系统1、湿地后端的集水系统12、湿地内部的基质11以及种植于基质上的植物2。还包括沉积物微生物燃料电池系统，该系统包括阳极5和阴极6，两者通过导线8与外部电阻7相连接。阳极5布置在湿地植物根区10附近，阴极6一部分置于上覆水3中，一部分暴露于空气中。由于湿地中有很多土著微生物，对基质11中的有机物进行分解，有机物不仅为污水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪等，而且还指有机毒性污染物质如农药DDT、有机含氯化合物、多氯联苯（PCB）多环芳烃（PAH）以及染料等，微生物分解有机物产生电子，累积到湿地植物根区10附近。对于沉积物微生物燃料电池系统中的阳极5和阴极6的位置要求即说明，阳极5作为电子受体吸收湿地植物根区10附近的电子，然后传递给位于湿地上部的阴极6，最终释放给氧气，氧气是最终的电子受体。在没有沉积物微生物燃料电池系统时，微生物分解有机物的速度较低，这主要是由于有机物分解产生的电子累积造成的，通过改善电子输出性能，加快湿地根区有机物分解的氧化还原过程，因此可以大大提高微生物分解有机物的活性。
为了能够实时监测湿地生态系统植物根际区的动态生理响应，在阳极5和阴极6之间还通过导线8连接有在线数字伏特表9，电压信号通过在线数字伏特表9测得。
图2为沉积物微生物燃料电池系统的阳极构造示意图，如图所示，沉积物微生物燃料电池系统中的阳极5材料为石墨棒，石墨棒的直径为4 cm，相邻石墨棒的间距为20 cm，石墨棒采用并联方式连接。图3为沉积物微生物燃料电池系统的阴极构造示意图，如图所示，沉积物微生物燃料电池系统中的阴极6材料为碳毡，碳毡的厚度为0.5 cm，包裹在镂空的PVC管道外侧组成空气式阴极结构。导线8选自不锈钢丝、钛丝或者铜丝中的任意一种，导线8与电极连接处用环氧树脂密封，导线8暴露部分需要用环氧树脂覆盖密封，作用是防止氧化。外接电阻7为100Ω。
为了加大电子收集面积，提高使用效率，在基质11中埋有石墨片4。石墨片4厚度为1.0 mm，石墨片4的重量占基质11重量的15%。石墨片4具有高导电性，可以改善了基质内部和基质之间的电子传递性能，增强了电子向阳极传递速率，提高了输出的能量，实现有机物的高效转化和利用。
一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的方法，湿地中有机物在沉积物微生物燃料电池系统的阳极区5附近被土著微生物氧化分解，产生的电子传递到阳极5，再经过外电路到达阴极6，同时氢离子通过水-沉积物界面传递到阴极6，阴极6所接受的电子、氢离子与氧气反应生成水，从而完成整个化学氧化还原反应。因此，整个过程通过促使湿地植物根区10附近的电子输出，减少微生物分解有机物的电子堆积，改善湿地根区微生物活性，促进有机物的分解速度。
实施例1
以碳毡为电极材料，外电阻为100 Ω，石墨棒为阳极，置于水-沉积物界面下5 cm，沉积物和上覆水采自东太湖（31°10′ N、120°24′ E），在室内构建沉积物微生物燃料电池系统（SMFC）。沉积物中所含毒性有机污染物（多环芳烃化合物TPAH）的浓度为15 mg/kg DW，SMFC装置运行了240天。图4为沉积物微生物燃料电池系统中有机质去除性能示意图，如图所示，结果表明，对照组（没有使用SMFC）对沉积物中有机质（以烧失量LOI表示）去除率为32 %；而SMFC组对LOI去除率为53 % （如图4所示）。对照组中TPAH的降解率为77.4 %，而SMFC组的降解率为94.1 %。可见，SMFC组大大促进了微生物对有机物的降解率。
图5为毒性有机污染物PAH对电压信号的影响示意图，如图所示，当毒性有机污染物TPAH进入到沉积物中，SMFC的电压信号值发生改变，总体降低了4.06 mV，因此可根据电压信号值实时监测系统运行状况。
Claims (6)
1. 一种强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，包括湿地前端的布水系统（1）、湿地后端的集水系统（12）、湿地内部的基质（11）以及种植于基质上的植物（2），其特征在于：还包括沉积物微生物燃料电池系统，该系统包括阳极（5）和阴极（6），两者通过导线（8）与外部电阻（7）相连接；所述的阳极（5）布置在湿地植物根区（10）附近，阴极（6）一部分置于上覆水（3）中，一部分暴露于空气中；
所述的外接电阻（7）为100Ω；
所述的基质（11）中埋有石墨片（4），石墨片（4）厚度为1.0mm，石墨片（4）的重量占基质（11）重量的15%；
所述的阳极（5）材料为石墨棒；
所述的阴极（6）材料为碳毡。
2. 根据权利要求1的所述的强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，其特征在于：所述的阳极（5）和阴极（6）之间还通过导线（8）连接有在线数字伏特表（9）。
3. 根据权利要求1的所述的强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，其特征在于：所述的石墨棒的直径为4cm，相邻石墨棒的间距为20cm，石墨棒采用并联方式连接。
4. 根据权利要求1的所述的强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，其特征在于：所述的碳毡的厚度为0.5cm，包裹在镂空的PVC管道外侧组成空气式阴极结构。
5. 根据权利要求1或2的所述的强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，其特征在于：所述的导线（8）选自不锈钢丝、钛丝或者铜丝中的任意一种。
6. 根据权利要求5的所述的强化湿地生态系统中有机物去除性能的装置，其特征在于：所述的导线（8）与电极连接处用环氧树脂密封，导线（8）暴露部分需要用环氧树脂覆盖密封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140702 |